基于非圆齿轮传动的精密压力机驱动机构设计

２０１０年第１２期　·设计与研究·　
文章编号：１００１—２２６５（２０１０）１２—００１３—０５　
基于非圆齿轮传动的精密压力机驱动机构设计术　

于大坚，邬义杰，王彬，刘孝亮　
（浙江大学现代制造工程研究所，流体传动与控制国家重点实验室，杭州　３１００２７）　

摘要：针对传统压力机在精密冲压时，难以使冲头严格按照工艺要求的理想曲线运动，导致冲压零件　
的质量降低，精度达不到要求的缺点。提出一种基于非圆齿轮的新颖驱动机构方案，通过合理设计　
非圆齿轮的节曲线使冲头严格按照理想速度规律运动。给出了冲头理想速度运动曲线的拟合过程，　
并提出了确定非圆齿轮传动比的计算方法，分析了相关的约束边界条件，最后给出了非圆齿轮的节　
曲线的设计方法。与传统的压力机的驱动机构相比，该机构具有设计简单、结构紧凑、冲压精度高等　
优点，在精密冲压机床中有着很好的应用前景。　
关键词：压力机；非圆齿轮；节曲线；驱动机构　
中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６５　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄｒｉｖｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｐｒｅｓｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｎｏｎ－ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｇｅａｒｓ　
ＹＵ　Ｄａ－ｊｉａｎ，ＷＵ　Ｙｉ—ｊｉｅ，ＷＡＮＧ　Ｂｉｎ，ＬＩＵ　Ｘｉａｏ－ｌｉａｎｇ　
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎ—　
ｔｒｏｌ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ）　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｉｓ　ｋｎｏｗｎ　ｔｏ　ａｌｌ，ｉｎ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｓｔａｍｐｉｎｇ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｒｅｓｓ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｍａｋｅ　ｐｕｎｃｈｅｓ’ｍｏｖｅｍｅｎｔ　
ｍａｔｃｈ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｃｕｒｖｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ｓｔａｍｐｉｎｇ　
ｐａｒｔｓ　ｉｍｐａｉｒ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｒｅｓｓ　ｄｅ。　
ｆｅｃｔ，ｔｈｉｓ　ｐ　ａｐ　ｅｒ　ｓｈｏｗｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｄｒｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎｏｎ－ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｅａｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｐ　ｕｎｃｈ　ｍｏｖｅ　
ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｃｕｒｖｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｅａｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　
ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｐｕｎｃｈ　ｉｄｅａｌ　ｍｏｖｉｎｇ　ｃｕｒｖｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ａ　
ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍａｋｉｎｇ　ｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｅａｒｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　
ｍｏｖｅｍｅｎｔ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｌｉｍｉｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｎｏｎ－ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｅａｒｓ　
ｐ　ｉｔｃｈ　ｃｕｒｖｅ．Ｃｏｍｐ　ａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｓｉｍｐ　ｌｅ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｃｏｍｐ　ａｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈＪ　ｇｈ　
ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｓｔａｍｐｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｎｏｎ－ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｅａｒ；ｐｉｔｃｈ　ｃｕｒｖｅ；ｄｒｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　

０　引言　
锻压机床作为工业基础装备的重要组成部分之　
一
，

在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重　

要部门得到广泛应用”。　。近年来，以汽车为龙头的　
制造业的飞速发展，大大推动了冲压技术的进步。　
目前欧、美、日等国的企业如Ｋｏｍａｔｓｕ、ＡＩＤＡ、ＮＳＫ、会　
田、小松等在锻压机床研发和设计上处于国际领先　
水平　。我国锻压机床研制水平与国际领先水平仍　
存在差距。　

机械压力机的核心问题是驱动机构的设计，目　
前曲柄滑块机构是常用的机构型式。实际生产中，　
冲压机的冲头滑块如能以匀速冲压工件，有益于提　
高冲压件的质量。但是，简单的对心曲柄滑块机构，　
当曲柄匀速回转时，其滑块是不具有急回特性和匀　
速运动段。即便采用六杆以上的连杆机构，一般也　
只能实现近似的匀速运动。本文提出一种新型的曲　
柄压力机结构，采用非圆齿轮与曲柄机构结合的方　
法可以有效地实现滑块的运动速度控制要求。　

收稿日期：２０１０—０７一Ｏ７　
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７５２５６）；国家“８６３”高科技研究发展划资助项目（２００６ＡＡ０４Ｚ２３３）；国家教育部博士点基金资助　
项目（２００７０３３５２０４）；浙江省自然科学基金重点资助项目（Ｚ１０８０５３７）　
作者简介：于大坚（１９８６一），男，山东青岛人，浙江大学硕士研究生，从事数控ＣＡＤ／ＣＡＭ，智能材料结构方面的研究，（Ｅ—ｍａｉｌ）０５３２ｊｊｘｉａｏｚｉ＠　
１６３．ｃｏｒｎ。　

·
１３·　
·
设计与研究·　组合机床与自动化加工技术　
１　传统压力机驱动机构分析　
传统的压力机根据驱动机构的不同，可分为曲　
柄压力机、肘杆压力机（六杆压力机）、八杆压力机　
等　。　
曲柄压力机的机构简图如图１所示，杆系为曲　
柄滑块机构，当电机带动曲柄匀速转动时使冲头做　
上下的冲压运动。这种压力机主要用于板料的冲　
压、落料、切边、局部成形等。其主要特点是结构简　
单、精度低，适用于对工件的精度要求不高的场合。　图１　曲柄压力机　肘杆压力机为六杆压力机，其机构简图如图２　所示。该压力机用于较厚钢板的冲孔、落料、成形等　冲压工艺。与曲柄滑块机构相比，该机构结构紧凑，　效率高、能获得较大的冲击力、冲击效果好、冲头运　动规律可调整性好。　图２肘杆压力机　在精密冲压时，要求在滑块往复行程中具有匀　速运动段，并有急回特性，以提高生产质量和生产　率。为了保证冲压精度，压力机对冲头的速度运动　规律有着严格的要求。而传统的曲柄压力机在冲压　时只能使冲头做简单的运动，不能满足精密冲压的　要求，即便采用六杆及其以上的连杆机构，也只能近　似地实现加工阶段的匀速运动，接近理想速度运动　曲线。杆系越多，冲头的速度运动规律越接近理想　速度曲线，但增加杆系使得机构的设计复杂性加大，　稳定性降低。因此传统的压力机不能很好的满足精　密冲压的要求。　２新型精密压力机驱动机构的提出　由上文可知，传统压力机难以很好满足精密冲　压的要求。为此本文提出了一种基于非圆齿轮的新　颖驱动机构方案，其传动简图如图３所示，该机构通　过改变非圆齿轮节曲线的形状来改变齿轮传动比，　从而控制冲头严格按照设定的理想速度曲线运动，　以满足精密冲压的要求。　

图３新型精密压力机的驱动结构简图　
设计该驱动机构时，先根据实际工艺要求确定　
出冲头理想的速度运动曲线，在此基础上反求非圆　
齿轮的传动比，再根据约束边界条件求出未知的参　
数量，最后确定出非圆齿轮的节曲线，完成非圆齿轮　
的设计　。　
２．１　新型精密压力机的驱动机构运动分析　
图３为新型精密压力机的基本驱动机构形式（非　
圆齿轮以节曲线表示），非圆齿轮１是主动轮，由电机　

带动其匀速旋转，驱动非圆齿轮２以　：：　变速旋　
转，固连于非圆齿轮２上的曲柄Ｚ，也以　做变速旋　
转，再经过曲柄连杆机构带动压力机的冲头按设定　
的理想速度运动曲线运动。　
在图３中，冲头距离非圆齿轮２中心０，的距离为　
ｓ。ｓ与非圆齿轮２转过的角度　的关系为：　
ｓ＝一１ｌ　ｃｏｓＯ２　，／ｚ　一（１１　ｓｉｎＯ２）　（１）　

与非圆齿轮２转过的角度　的关系为：　ｄ　
老　ｓｉｒ．　

ｓ—　ｚ与　一　ｚ曲线是机构的固有特征，不随输　
人的改变而改变。　
２０１０年第１２期　·设计与研究·　
２．２　冲头理想速度运动曲线的确定　
在精密冲压过程中，为了提高冲压件加工质量　
和工作效率，冲头在冲压阶段应按较低的速度匀速　
冲压，在不冲压阶段应以较快速度运行。为了满足以　
上工艺要求，冲头的理想速度运动规律如图４所示。　
在０点时，冲头的速度为０，处于最上方的极限位置；　
在０一　段，冲头以较快的平均速度到达冲压点；在　
咖。　一咖。　段，冲头以较低的速度冲压零件；从咖　一　

。　
段冲头以较快速度回到最高点。　

一　
ｌａ　玷　ｌｃ　Ｉ　ｆ２耵　Ｉ　＼　

．
Ｉ　
／　

图４　冲头运动的理想曲线　
为了保证冲头的速度过渡平稳，加速度冲击小，　
我们￣　侏让　ｄｓ
—　
。

曲线各段曲线圆滑连续。本文采　

用最小二乘法对该分段曲线进行分段拟合，具体拟　
合方程为：　
嵩　０≤　。１　

毒～　ｃｌ（　）　＋　ｌ　
ｃ　（　一日。　）　。　≤　≤　．　
Ｉ　
嵩～　刚　。ｃ～　≤　ｃ｝　
啬一　。　ｍ２（　Ｉ　
ｍ，（　．一日。　）　。　≤　≤ｐ，　
Ｉ　
＝　，一２　）＋　一２　≤　≤２竹Ｊ　

（３）　
式中：口曲为冲头冲压时的速度，０。　０　０　、０　０。　为　
工艺参数，以上参数由由冲压的工艺需求确定。ｋ　、　
２、ｃｌ、Ｃ２、ｃ３、ｍｌ、ｍ２、ｍ３、ｎｌ、ｎ２为拟合系数，由曲线的　
边界条件确定。　
２．３　非圆齿轮传动比函数的确定　
图３中，当非圆齿轮１以∞　＝　ｄＯｌ匀速旋转时
，　

非圆齿轮２以　＝　变速旋转，两齿轮转过的角度　
关系为：　
㈩　
当ｄｓ／ｄＯ　≠０及ｄｓ／ｄＯ：≠０时，即０。：０２≠０，　
０…２叮Ｔ时．非圆齿轮传动比函数及其传动比导函数为：　

／’
＇１２＝　＝　＝　

ｄｓ／ｄＯ￣　

（５）　——　

鲁：（襄一ｔｌ２１塞）／（老）ｃ　Ｉ　一　Ｊ八　Ｊ　
式中：ｄｓ／ｄＯ　为期望的理想速度函数，可根据冲压的　
具体工艺要求确定，速度函数曲线按最小二乘法拟　
合出，其具体拟合方法已在上文中介绍；ｄｓ／ｄＯ　为冲　
头随非圆齿轮２转动的速度函数，是连杆机构的固有　
特性，已在上文中求出。　
当０ｌ＝０２＝０，０ｌｄ，２叮『时，ｄｓ／ｄＯｌ＝０及ｄｓ／ｄＯ２　

＝
０，此时传动比为：　

，　＝　
ｄｓ／ｄＯ￣＝　０　（７）。１２　——　Ｌ，Ｊ　
以上位置处不能直接确定传动比数值，但由于　
／ｄ　与　／ｄ　：均为光滑曲线，对于　０型的式子可　

在０　＝０：：０，０。　，２ｘｒ点用诺必达法求导计算，求出　
在这些位置点处的传动比数值。　

＝
…

ｌｉｍ（　）／（妾）　

（最（老））／（岳（老））　

＝　
（赛）／（塞（　））　

＝　
（嘉）／（啬　）　（８）　
因此传动比函数可表示为：　
ｄｓ／ｄＯ，　
－　：
≠ｏ　，　盯　

０ｌ＝０２≠０，０１ｄ，２，＇ｒｒ　
（９）　

２．４　边界约束条件分析　
２．４．１　极限位置的速度特性对理想函数设定的约束　
由于非圆齿轮节曲线需是光滑连续的，所以非　
圆齿轮的角速比函数的导函数必须是连续函数。　
当ｄｓ／ｄＯ１≠０及ｄｓ／ｄＯ２≠０时，由于ｄｓ／ｄＯ２及　
ｄ２ｓ／ｄＯ；是连续函数，所以理想函数曲线应满足　
ｄ２ｓ／ｄＯ
，　
是连续函数，以保证节曲线的光滑连续。　

当ｄｓ／ｄＯ。＝０及ｄｓ／ｄＯ　＝０时，此时传动比的导　
数值ｄｉ　／ｄＯ　＝０／０，不能确定其数值，用诺必达法求　
导计算得：　
鲁　＝（翥　：　：ｓ，￣／（３ｉ塞）　（　）　ｄ　，Ｉ　：　＼ｄ　：　。　ｄ　，／Ｉ　ｄ　：／　、　

由上式可知，为了使ｄｉ，　／ｄ　。在极限位置也连　
续，ｄ３ｓ／ｄＯ　在极限点处应连续。　
综上所述，理想函数ｄｓ／ｄＯ　曲线的约束条件为：　
（１）ｄ２ｓ／ｄＯ　应为连续函数。　
（２）在机构的极限点处，ｄ３ｓ／ｄＯ　也要连续。